Fragen zum OpAmp-Design für Transimpedanzverstärker

Ich versuche, das Design eines Transimpedanzverstärkers zu verbessern, indem ich den Operationsverstärker, den ich derzeit verwende, durch einen anderen austausche. Das Problem, mit dem ich jetzt konfrontiert bin, ist, dass ich mir nicht sicher bin, wie ich einen guten Operationsverstärker basierend auf meinen Bedürfnissen auswählen soll.

Meine Transimpedanzverstärkerschaltung ist unten gezeigt. Ich verwende den SensL MicroFJ-60035 Silizium-Photomultiplier (SiPM), und der Verstärker, den ich derzeit verwende, ist der TI OPA656.

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

SensL verlangt, dass Sie Ihre E-Mail-Adresse für das Datenblatt angeben, aber ich werde versuchen, hier einige Informationen zum Gerät bereitzustellen. Wenn Sie weitere Informationen benötigen, lassen Sie es mich bitte wissen, und ich werde hier weitere Informationen hinzufügen. Der Spektralbereich des Sensors reicht von 200-900 nm, seine Dunkelzählrate beträgt 80 kHz/mm². Es hat eine typische Verstärkung von 5,3 * 10 ^ 6, einen Dunkelstromparameter von 4,1 uA und eine Anstiegszeit von 300 ps. Außerdem ist der Sensor für einen maximalen Strom von 15 mA ausgelegt.

Der OPA656 ist ein Spannungsrückkopplungsverstärker mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 295 V/us und einem Verstärkungs-Bandbreitenprodukt von 230 MHz und einer Bandbreite von 500 MHz. Er hat einen Eingangsruhestrom von 1 pA und eine Eingangsoffsetspannung von 100 uV. Außerdem beträgt die Kapazität am Anodenausgang 4000 pF. Das Datenblatt sagte nie über die Kapazität am Kathodenausgang.

Im Moment ist das Problem, mit dem ich bei meinem Design konfrontiert bin, die Geschwindigkeit. Derzeit ist es mit einer Anstiegszeit von 14 ns zu langsam. Mein Team und ich haben es geschafft, die Anstiegszeit der Schaltung auf etwa 6,5–9 ns zu reduzieren, indem wir den Rückkopplungswiderstand von 470 Ohm auf 25 Ohm reduziert haben, aber die Verstärkung ist so winzig, wobei die maximale Amplitude etwa 160 mV beträgt. Ich versuche, einen neuen Operationsverstärker zu finden, der eine schnellere Anstiegszeit ohne den erforderlichen Verstärkungsabfall ermöglicht.

Da ich einige Nachforschungen angestellt habe, habe ich nicht unbedingt ein vollständiges Verständnis der Nuancen des Operationsverstärkerdesigns, also habe ich mich hauptsächlich auf die Anstiegsgeschwindigkeit konzentriert. Ich habe jedoch festgestellt, dass mit zunehmender Anstiegsgeschwindigkeit die Bandbreite abnimmt. Hier ist mein erstes Problem. Mein Team benötigt eine bestimmte Bandbreite, aber wenn das Verhältnis zwischen der Anstiegsrate und der Bandbreite des Operationsverstärkers umgekehrt proportional ist, wie bestimme ich dann die Bandbreite, die ich für meine Anwendung benötige? Basiert es auf meinem SiPM oder stammt es aus der Testumgebung, auf der das SiPM getestet wird?

Meine nächste Frage bezieht sich auch auf die Bandbreite des Operationsverstärkers. Eine kleinere BW bedeutet, dass der Verstärker nicht mit Hochfrequenzsignalen außerhalb seines Bereichs arbeitet, aber wie wirkt sich das auf die Ausgangsspannung aus? Ich habe einige SPICE-Modelle meines SiPM sowie den OPA656 und einige mögliche Ersatzverstärker gefunden (insbesondere den AD8014, ADA4895, ADA4860 und den AD8001). Diese Ersetzungen haben eine schnellere Anstiegsgeschwindigkeit, aber die Bandbreite ist geringer. Würde eine kleinere Bandbreite zu einer kleineren, aber schnelleren Ausgangsspannung führen? Wenn dies der Fall ist, dann ist dies kein allzu großes Problem. Wir brauchen nicht unbedingt ein großes Spannungssignal; Eine Spannung von etwa 600 bis 850 mV reicht für unsere Bedürfnisse aus.

Wie groß ist die Amplitude der Signale, die Sie eigentlich verarbeiten möchten?
Ein wichtiger Parameter der Fotodiode, den Sie nicht angegeben haben, ist ihre Kapazität.
Typischerweise steigen Anstiegsrate und BW zusammen. (aber nicht immer.) Sie kümmern sich normalerweise mehr um das BW. (Was ist die Spannung Ihrer Anstiegszeit von 14 ns? Liegt sie nahe an 300 V / us ... ~ 4 V / 14 ns?) Meine beiden Lieblingsbücher über Fotodioden und dergleichen. Mark Johnsons „Photo Detection and Measurement“ und Phil Hobbs „Building Electro Optical Systems“
@ThePhoton Die maximale Amplitude des Signals mit einem Rückkopplungswiderstand von 25 Ohm beträgt etwa 160 mV. Mein Team möchte, dass es etwa 600-850 mV beträgt.
@GeorgeHerold Mit 470 Ohm als Rückkopplungswiderstand ergab die Anstiegszeit von 14 ns eine Ausgangsspannung von ungefähr 1,75 Volt. Angesichts der Anforderungen hatte ich gehofft, einen Teil der Ausgangsspannung im Austausch für eine höhere Geschwindigkeit zu opfern. Danke für die Buchvorschläge.
@KevinWhite Entschuldigung, dass ich das nicht aufgenommen habe. Laut Datenblatt beträgt die Kapazität am Anodenausgang 4000 pF. Das Blatt sagt nicht, wie hoch die Kapazität an der Kathode ist. Es gibt einen dritten Anschluss für ein „schnelles Ausgangssignal“, aber ich verwende das nicht in meinen Schaltungen, also bleibt es unverbunden.
Wenn Sie einige "lose" Zahlen ausführen, scheint es, als hätten Sie zu viel Eingangskapazität. 1.) was ist die BW, 14 ns ~ 10 MHz. Für die BW von TIA ist das geometrische Mittel zwischen f_GBW und f_RC (wobei R die Rückkopplung R und C die Eingangskapazität ist.) BW = sqrt (f_GBW * f_RC), woraus ich f_RC ~ 0,4 MHz oder C_in ~ 800 pF bekomme! Das scheint viel zu sein. Haben Sie irgendetwas getan, um den Eingang C niedrig zu halten? Warum nicht das schnelle Ausgangssignal ausprobieren?
@GeorgeHerold Mein Team ist derzeit nicht daran interessiert, das Ausgangssignal zu verwenden. Im Moment versuchen wir nur, das zu tun, was wir nur mit dem Signal von der Kathode tun können. Ich habe nicht wirklich viel getan, um die Eingangskapazität niedrig zu halten, aber das liegt hauptsächlich daran, dass ich mir nicht wirklich sicher bin, was ich tun kann. Die Kapazität ist intern im Teil, also kann ich dort nicht viel tun. Boardwise stelle ich sicher, dass ich Groundplanes verwende, aber das war es auch schon.
@ user101402, Es gibt einige Tricks, mit denen Sie den Effekt von Eingang C reduzieren können. Schauen Sie sich bei hoher Geschwindigkeit Phil Hobbs Kaskode-Idee an. Ich glaube, das ist auch im dritten Band von Art of Electronics. Siehe Abbildung 8.86. Wie wäre es schließlich mit dem opa657, das ~4-mal schneller ist und die BW um den Faktor zwei oder mehr verbessern sollte?
@GeorgeHerold Ich werde mir das Volumen ansehen. Ich habe mir auch den OPA657 angesehen. Ich sah, dass es eine größere Bandbreite und eine größere Anstiegsgeschwindigkeit als der OPA656 hatte, aber als ich das Modell des Geräts von TI in meinen Simulator importierte, waren die Ergebnisse unrealistisch. Irgendwie bekam ich nach einer Verzögerung von 30 Nanosekunden, nachdem mein Sensor „aktiv“ wurde, einen unglaublich großen Gewinn, also zögerte ich, das auszuprobieren. Ich habe mich umgesehen und mich mehr auf Teile von Analog Devices konzentriert, bei denen das Modell realistischer funktionierte, aber wenn ich die Gelegenheit bekomme, einige Muster des OPA657 zu bekommen, werde ich sehen, ob ich es versuchen kann.

Antworten (2)

Bei einem 1-mA-Eingang über 470 Ohm wird diese Vout von 0,47 Volt die Anstiegsgeschwindigkeit kaum herausfordern; 0,47 V liegt eher im Kleinsignalbereich.

Ein Sensor mit hoher Kapazität wird Ihre Geschwindigkeit töten. Und ein langsamer Test-Photonenpuls wird die Messungen verwirren. Was sind deine Parameter?

Und ist die 50-Ohm-Last das Problem?

Betrachten Sie, um die Schaltung zu debuggen, einen NPN-Transistor mit gemeinsamer Basis einzubauen. Wenn das langsam ist, dann sind der Sensor und die parasitäre Vin-Knotenkapazität die Beeinträchtigung.

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Wo haben Sie in der Frage den Wert "1 mA" gesehen?
Danke für deine Antwort. Ich habe Informationen über die Kapazität aus dem Datenblatt des Sensors hinzugefügt, obwohl es mir nur über die Kapazität am Anodenausgang mit 4000 pF Auskunft gab. Ich glaube auch nicht, dass der 50-Ohm-Widerstand hier das Problem ist. Es ist da, um die Impedanz des Koaxialsteckers anzupassen.

Hier ist eine gute Ressource zur Optimierung des Hochfrequenzgangs von TIA-Schaltungen:

http://www.linear.com/solutions/5633

Zusammenfassend würde ich drei Bereiche betrachten:

1) Möglicherweise haben Sie die Leistung gesteigert, indem Sie einfach einen besseren Operationsverstärker verwenden. Der LTC6268IS6-10#TRMPBF hat auf dem Papier bessere Spezifikationen, aber auch er wird leiden, wenn am Eingang des Verstärkers zu viele parasitäre Kapazitäten vorhanden sind.

2) Werfen Sie einen detaillierten Blick auf die parasitäre Kapazität in Ihrem PCB-Layout. Die oben verlinkte Anleitung zeigt eine Handvoll Möglichkeiten, die parasitäre Eingangskapazität zu verringern. Sie können etwas davon aus der Gleichung herausnehmen, indem Sie das Bein des Eingangsstifts Ihres ICs anheben und den Ausgang des SiPM über einen Draht über der Platine mit "dead bug" verdrahten. Löten Sie in ähnlicher Weise Ihren Rückkopplungswiderstand oben auf dem IC und verdrahten Sie ihn mit den entsprechenden Stiften. Dies wäre das beste Szenario mit sehr geringer Rückkopplung oder Eingangskapazität.

3) Untersuchen Sie Ihren Testaufbau. 300ps ist ziemlich schnell. Kann Ihr Oszilloskop damit umgehen? Sie können ein Testsignal einleiten und sehen, welches das schnellste Signal ist, das Sie messen können, damit Sie eine Basislinie für Ihre Messungen erhalten. Es gibt viele Signalquellen, die Sie verwenden können, aber hier ist eine, für die ich bürgen kann:

http://thinksrs.com/products/DG645.htm

Sie können dafür ein schnelles Anstiegszeitmodul erhalten und 5-V-Signale im Subnanosekundenbereich (100 ps?) Ausgeben. Mit 5.000 US-Dollar ist es nicht billig, sodass andere möglicherweise eine günstigere Möglichkeit haben, Ihr Setup zu testen.

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